DE2212310A1 - Verfahren zur beeinflussung des radialen widerstandsverlaufes in einem halbleitereinkristallstab beim tiegelfreien zonenschmelzen - Google Patents

Verfahren zur beeinflussung des radialen widerstandsverlaufes in einem halbleitereinkristallstab beim tiegelfreien zonenschmelzen

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DE2212310A1
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DE19722212310
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Alfred Dr Muehlbauer
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Siemens AG
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Siemens AG
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C30CRYSTAL GROWTH
    • C30BSINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
    • C30B13/00Single-crystal growth by zone-melting; Refining by zone-melting
    • C30B13/26Stirring of the molten zone

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

  • Verfahren zur Beeinflussung des radialen Widerstandaverlaufe In einem Halbeitereinkristallstab beim tiegelfreien Zonenschmelzen Die vorliegende Erfindung betriff-t ein Verfahren zur Beeirflussung des radialen Widerstandsverlaufs in einem Halbleitereinkristallstab beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen Enden gehalterten Halbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden. die Schmelzzone erzeugenden, induktiven Heizeinrichtung, bei dem von einem Keimkristall ausgehend die Schmelze in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabteils durch den Halbleiterkristallstab bewegt wird.
  • Es ist bekannt. Einkristallstäbe durch tiegelfreies Zonenschmelzen herzusteien. indem mit Hilfe von Keimkristallen polykristalline halbleiteratäbe. insbesondere Siliciumstäbe, dadurch in Einkristalle übergeführt werden. daß man eine Schmelzzone von dem nde an dem der Keimkristall angesetzt ist, zu dem anderen Ende des Haibleiterstabes (Verratssta.bes) wandern läßt. Der Halbleiterstah wird hierbei meist senkrecht stehend in zwei Halterungen eingespannt. wobei die eine Halterung während des Zonenschmelzens in Rotation um die Stabachse versetzt wird, so daß ein symmetrisches Aufwachsen des erstarrenden Materials gewährleistet ist.
  • Im allgemeinen ist es wünschenswert, Einkristallstäbe für die Fertigung von Hs?bieiterbauelementen herzustellen, weiche in bezug auf ihren radialen Widerstandsverlauf sehr gleichmäßige Werte aufweisen. d.h., bei der Herstellung dieser Kristallstäbe wird eine sehr gute Durchmischung der Schmelze während des tiegelfreien Zonenschmelzens angestrebt, damit der Dotierstoff überall gleichmäßig in das Kristallgitter eingebaut wird.
  • Für die Herstellung von Halbleitermaterial für die Fertigung von speziellen Halbleiterbauelementen, z. B. von über Kopf zündbaren Thyristoren, wird ein Halbleitergrundmaterial verwendet, welches verzugsweise aus (111)-orientierten Siliciumkristallscheiben besteht, die in der Mitte der Kristallscheibe einen Einbruch des elektrischen spezifischen Widerstandes aufweisen.
  • Aus der Zeitschrift "Die elektrische Ausrüstung 1 Nr. 1 vom 14. 2. 1969, Seite 3 bis 6 ist aus einen Aufsatz von A. Mühlbauer über die Badbewegung im mehrphasig erregten Induktions-Tiegelofen bekannt, daß die einphasig betriebene, r.t Strömen höherer Frequenz gespeiste Wicklung der Erwärmung, die wehrphasige, mit niedriger frequenten Strömen versorgte, ausschließlich der Durchmischung des schmelzflüssigen Tiegelinhaltes dient. Dabei kann die Badbewegung hne nennenswerte Temperaturerhöhung der Schmelze gesteigert werden. Dieses Verfahren wird mit Erfolg bei der Entgasung von Metallschmelzen unter Vakuum ausgenutzt.
  • Aus der "Rundschau, Elek-trowärme", Band 21, r. b, Juni 1963, Seite 3o1 und 302, sind Induktionsöfen zum Schmelzen und Gießen von Nickel- und Kobaltlegierungen im Hochvakuum bekannt, bei denen die Badbewegung in der Schmelze und damit der Vergang des Entgasens durch ein Doppelfrequenz-System gesteigert wird.
  • Mit dem Doppelfrequenz-Syatem gelingt es, eine Bsadbewezu^ ohne gleichzeitige Temperaturerhöhung zu erreichen. Dabei wird die ZUm Warmhalten erforderliche Energie während der Umrührung des Bades von einem Mittelfrequenz-Generator geliefert und die Badbewegung mit mehrphasigem niederfrequenten Strom unterstützt. Durch die gute Durchmischung der Schmelze wird eine effektive Entgasung innerhalb weniger Tilinuten erreicht und man erhält ein sehr homogenes Material.
  • Die vorliegende Erfindung macht sich diese Erkennt.nis zunutze, indem sie eine Möglichkeit schafft, nicht nur homogene Dotierstoffverteilungen in Halbleitereinkristallst2ben beim tiegelfreien Zsnenschmelzen herzustellen, sondern auch solche Einkristallstäbe durch tiegelfreies Zonenschmelzen herstel3t, bei denen in der Mitte des konzentrisch gezogenen Stabes ein räumlich-eingeengter, einstellbarer Widerstandseinbruch erzeugt wird.
  • Dies geschieht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, daß während des Zonenschmelzens mittels axial-gerichteter elektromagnetischer Wanderfelder eine Beeinflussung der natürlichen Konvektionsströmung in der Schmelze herbeiaeführt wird. Durch die Lehre der Erfindung wird also durch die Anwendung axialer elektromagnetischer Wanderfelder eine Tinterdrückung der durch starke Tetnperaturunterschiede bewirkten natürlichen Konvektion der Schmelze erreicht, wodurch beim Ziehen von unten nach oben eine Stauung des Dotierstoffes vor dem Zentrum des wachsenden Einkristalis (Schmelze) verhindert wird oder aber, es wird durch die Richtung des Wanderfledes die natürliche K--nvektion der Schmelze unterstützt und damit eine stärkere D@tierstoffkonzentration in der Stabmitte erzielt, was zu einem stärkeren Einbruch des spezifischen Widerstandes in der Mitte des fertigen Einkristallstabes führt.
  • Es liegt im Rahmen der Erfindung, daß zur Frzeugung der elektromagnetischen Wanderfelder eine mehrphasige Spulenanordnung verwendet wird.
  • Gemäß einem besonders günstigen Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird eine Spulenanordnung mit zwei Spulen mit jeweils zwei Wicklungshälften verwendet, wobei die Wicklungshälften der Spulen alternierend angeordnet sind.
  • Das Prinzip dieses Ausführungsbeispiels soll durch das in der Zeichnung dargestellte Schaubild noch näher erläutert werden. Im gezeichneten Beispiel läuft bei zweiphasiger Speisung die erregte Ferdwelle von oben nach unten und legt im Zeitraum t4-t1 die Strecke 3/4# zurück. Es gilt vw=#.@.
  • d.h., die Wanderungsgeschwindigkeit der Welle vw wird bei festgelegter Wellenlänge # durch die Frequenz f bestimmt.
  • Durch die von oben nach unten laufende Feldwelle in der Siliciumschmelze gleichsinnig gerichtete Strömungen ausgelöst, welche die näturliche Konvektion zu beeinflussen gestatten.
  • Tn der Figur ist mit dem Bezugszeichen 1o der für das t: freie Zonenschmelzen verwendete polykristalline Vorratsstabteil bezeichnet, welcher über die Schmelze 11 mit den rekristallisierten Stabteil 12 verbunden ist. Die Bezugszeichen 1. 2, 3 und 4 sind den alternierend angeordneten Wicklungshälften der zu einer Spulenanordnung gehörenden zwei Spulen zuzordnen: R und 5 sind die Phasen, die den vier Teilen bzw. Wicklungen der Spulenanordnung zugeordnet werden. die im Bereich der Schmelze 11 eingezeichneten Pfeile 5 zeigen den Verlauf der natürlichen Konvektionströmung an, während durch die gegensinnig verlaufenden Pfeile 6 die in der Schmelze vom elektromagnetischen Wanderfeld herrührende Strömung bezeichnet werden soll (gestrichelt gezeichnet).
  • Damit die von einer Mehrphasenanordnung in der Schmelze erzeugte Axialkraftdichte eine Durchmischung der Schmelze bewirken kann, muß sie radial ungleichmäßig verteilt sein. Am Rande der Schmelze muß die Axialkraftdichte sm größten sein, zur Achse hin aber stark abfallen. Dies wird erreicht durch eine geeignete Dämpfung des eindringenden Feldes. Die Findringtiefe des Feldes wird bestimmt durch teilt dem spezifischen Widerstand von fl-issigem Silicium von errechnet sich für die technische Frequenz von i kHz und 100 kHz die Eindringtiefe zu Diese Eindringtiefen führen bei Schmelzradien größer 10 mm zu Kennwerten, mit welchen man zu "vernünftigen" radialen Kraftdichteverteilungen gelangt. Daraus folgt, daß die Frequenz des Erregerstromes in der Spulenanordnung (Rührwicklung) nach der Lehre der Erfindung im Bereich von 5 bis lno kHz betrieben erden kann, ohne daß dadurch die Schmelze unzulässig erwärmt wird.
  • Die Erregerwicklung kann auch dreiphasig ausgebildet sein.
  • In jedem Fall wird durch die Wahl der Wellenlänge #, der Frequenz f und des Erregerstromes I die Intensität der Strömung in der Schmelze beeinflußt.
  • Durch entsprechende Einspeisung des Stromes kann das Erregerfeld auch von unten nach oben wandern und eine von unten nach oben gerichtete Strömung auslösen. Dadurch wird ein stärkerer Anbruch des spezifischen Widerstandes in der Stabmitte (Dotierstoffstau) bewirkt. Das so gefertigte Material wird,wie eingangs schon erwähnt, als Grundmaterial zur Herstellung iiber Kopf ziindbarer Thyristoren verwendet.
  • Mit dem Verfahren bzw. der Vorrichtung nach der Lehre der Erfindung kann bei einem Siliciumkristall mit einem spezifischen Widerstand v-n 60 bis 70 Ohm.cm ein #-Einbruch in der Stabmitte von 50 bis 60 % erwartet werden.
  • Die Rührwicklung oder Erregerwicklung kann gemäß der Lehre der Erfindung auch als Drehfeldwicklung mit axialer Komponente ausgebildet sein. Dies würde zur Rntation der zur Stabachse symmetrischen Schmelze führen und sie gleichzeitig axial bewegen. So könnte eine weitere Vergleichmäßigung der D@tierstoffverteilung an der wachsenden Phasengrenze durch das zweidimensionale Rühren erreicht werden.
  • Es ist aber ebenso möglich, eine Spulenanordnung zu verwenden, bei der die Erregerwicklung entweder als Zylinderwicklung oder auch als Wicklung mit ausgeprägten Polen ausgebildet ist. Hierbei soll die frequenz der Stromversorgung vorzugsweise 10 kHz betragen.
  • 1 Figur 8 Patentansprüche

Claims (8)

  1. P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren zur Beeinflussung des radialen Widerstandsverlaufs in einem Halbleitereinkristallstab beim tiegelfreien Zonenschmelzen eines senkrecht an seinen Enden gehalterten Halbleiterstabes mit einer den Stab ringförmig umschließenden, die Schmelzzone erzeugenden, induktiven Heizeinrichtung, bei dem vcr einem Keinkristall ausgehend die Schmelze in Richtung der Stabachse eines Vorratsstabteils durch den Halbleiterkristallstab bewegt wird, dadurch gekennzeichnet.
    daß während des Zonenschinelzens mittels axial-gerichteter elektromagnetischer Wanderfelder eine Beeinflussung der natürlichen Konvektionsströmung in der Schmelze herbeizuführt wird.
  2. 2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung de elektromagnetischen Wanderfelder eine mehrphasige Spulenanordnung verwendet wird.
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung zwei Spulen mit jeweils zwei ljicklungshälften besitzt und daß die Wicklungdhälften der Spule alternierend angeordnet sind.
  4. 4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine in Stabrichtung verXilte dreiphasige Spulenanordnung vorgesehen ist.
  5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spulenanordnung mit einer Drehfeldwicklung mit axialer Komponente verwendet wird.
  6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet. daß die Spulenanordnung aus einer Zylinderwicklung besteht.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenanordnung als Wicklung mit ausgeprägten Polen ausgebildet ist.
  8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeIchnet.
    daß die Frequenz des Erregerstromes in der Spulenanordnung im Bereich von 5 bis loo kHz liegt.
DE19722212310 1972-03-14 1972-03-14 Verfahren zur beeinflussung des radialen widerstandsverlaufes in einem halbleitereinkristallstab beim tiegelfreien zonenschmelzen Pending DE2212310A1 (de)

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0178987A1 (de) * 1984-10-18 1986-04-23 Commissariat A L'energie Atomique Verfahren zur Herstellung eines Kristalles mindestens ternärer Zusammensetzung mittels einer wandernden Lösungsmittelzone
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WO2004113596A1 (de) * 2003-06-20 2004-12-29 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Verfahren und vorrichtung zum ziehen von einkristallen durch zonenziehen

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FR2572098A1 (fr) * 1984-10-18 1986-04-25 Commissariat Energie Atomique Procede de fabrication de cristaux de composes au moins ternaires par transfert d'une zone de solvant
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WO2004113596A1 (de) * 2003-06-20 2004-12-29 Leibniz-Institut Für Festkörper- Und Werkstoffforschung Dresden E.V. Verfahren und vorrichtung zum ziehen von einkristallen durch zonenziehen

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